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CN102308159A - 致动的前馈控制的太阳能跟踪系统 - Google Patents

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CN102308159A
CN102308159A CN2010800070610A CN201080007061A CN102308159A CN 102308159 A CN102308159 A CN 102308159A CN 2010800070610 A CN2010800070610 A CN 2010800070610A CN 201080007061 A CN201080007061 A CN 201080007061A CN 102308159 A CN102308159 A CN 102308159A
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CN
China
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shaft
subframe
control system
column
actuator
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Pending
Application number
CN2010800070610A
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English (en)
Inventor
肯尼斯·奥斯廷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Inspired Surgical Technologies Inc
Original Assignee
Inspired Surgical Technologies Inc
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Filing date
Publication date
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Abstract

一种致动的前馈控制的太阳能跟踪系统包括支持至少一个太阳能面板的子框架、支持该子框架的柱、以及连接该子框架和柱的连接机构，其中该连接机构包括第一轴、第二轴和主体构件。该连接机构的第一轴和第二轴设置成彼此正交，且由该主体构件隔开。该系统包括至少两个线性执行器、连接该线性执行器和子框架的旋转关节、以及驱动该执行器的驱动器系统。此外，该系统包括前馈控制系统和反馈控制系统，该前馈控制系统包括使用多个输入来计算该线性执行器的希望位置和与该驱动器系统通信以驱动该线性执行器的计算机，该反馈控制系统将由传感器设备收集的信息转送给该前馈控制系统，其中该前馈和反馈控制系统以集成的方式运作。

Description

致动的前馈控制的太阳能跟踪系统
对相关申请的交叉引用
本申请主张以下申请的优先权：
于2009年1月22日在美国专利商标局(“USPTO”)提交的临时申请61/146,508；于2009年4月21日在USPTO提交的临时申请61/171,263；于2009年10月26日在USPTO提交的临时申请61/254,963。
关于联邦资助的研究或开发的声明
本申请不是任何联邦资助的研究或开发的主题。
联合研究协议的各方当事人名称
未与任何第三方签订联合研究协议。
本发明的实施例的背景
太阳能发生系统和用于在天空上跟踪太阳的设备在本领域中是已知的。若干现有系统使用简单的控制方法来使得太阳能面板能在白昼周期地跟踪太阳。通过使用用于平滑地和连续地在天空上跟踪太阳的复杂的前馈控制系统以及利用减少成本和提高太阳能跟踪器的可靠性、耐久性和准确度的机械装置，本申请中描述的系统对现有的太阳能跟踪系统进行了改进。
本发明的实施例的简要总结
本发明的实施例针对一种致动的前馈控制的太阳能跟踪系统，该系统包括能够支持至少一个太阳能面板的子框架、用于支持该子框架的至少一个柱、以及将该子框架连接到该柱的连接机构，其中该连接机构包括第一轴、第二轴以及将该第一轴连接到该第二轴的主体构件。而且，该连接机构的该第一轴和该第二轴设置成基本上彼此正交，且被隔开等于该主体构件的距离。该系统也包括至少两个线性执行器(每个执行器包含第一端部和第二端部)、将该线性执行器的第二端部连接到该子框架的旋转关节、以及驱动该线性执行器的驱动器系统。此外，该系统包括前馈控制系统和反馈控制系统，该前馈控制系统包括使用多个数据点作为输入来计算该线性执行器的希望位置以及与该驱动器系统通信以驱动该线性执行器至这些希望的位置的计算机，该反馈控制系统将由传感器设备收集的信息转送到该前馈控制系统，其中该前馈控制系统和该反馈控制系统以集成方式运作。
本发明的另一实施例针对一种致动的前馈控制的太阳能跟踪系统，该系统包括能够支持至少一个太阳能面板的子框架、用于支持该子框架的至少一个柱、以及将该子框架连接到该柱的连接机构，其中该连接机构包括第一轴、第二轴以及将该第一轴连接到该第二轴的主体构件。而且，该连接机构的该第一轴和该第二轴设置成基本上彼此正交，且被隔开等于该主体构件的长度的距离，以及该第一轴、该第二轴和该主体构件是一体的构件。该系统也包括至少两个线性执行器(每个执行器包含第一端部和第二端部)、将该线性执行器的第二端部连接到该子框架的旋转关节、包括用于驱动该线性执行器的液压系统的驱动器系统、以及具有第一端部和第二端部的至少一个基座，其中该第一端部连接到基础系统(foundation system)的梁，且该第二端部连接到线性执行器。此外，该系统包括前馈控制系统前馈控制系统，该前馈控制系统包括使用多个数据点作为输入来计算该线性执行器的希望位置以及与该驱动器系统通信以驱动该线性执行器至这些希望的位置的计算机，其中这些数据点包括一天中的时间、一年中的时间、日期、地理定位系统坐标、板上时钟、基础的取向、缸位置、连接构件的角度、阀位置和太阳能跟踪传感器数据，且该系统中的该计算机使用多项式样条曲线。该系统还包括反馈控制系统，其将由传感器设备收集的信息转送给该前馈控制系统，且该前馈控制系统和该反馈控制系统以集成的方式运作。
本发明的又一实施例针对一种致动的前馈控制的太阳能跟踪系统，该系统包括能够支持至少一个太阳能面板的子框架、用于支持该子框架的至少一个柱、以及将该子框架连接到该柱的连接机构，其中该连接机构包括第一轴、第二轴以及将该第一轴连接到该第二轴的主体构件。而且，该连接机构的该第一轴和该第二轴设置成基本上彼此正交，且被隔开等于该主体构件的长度的距离，以及该第一轴、该第二轴和该主体构件是一体的构件，且其中该第一轴和该第二轴的端部设置在轴承组件中。该系统也包括至少两个线性执行器(每个执行器具有第一端部和第二端部)，其中旋转关节用于将该线性执行器的第二端部连接到该子框架。此外该系统包括驱动器系统，该驱动器系统包括用于驱动该线性执行器的液压系统。该系统也包括具有第一端部和第二端部的至少一个基座，其中该第一端部连接到基础系统(的梁，且该第二端部连接到线性执行器。此外，该系统包括用于防止该子框架被驱动到越过其机械极限的装置。该系统也包括前馈控制系统，该前馈控制系统包括使用多个数据点作为输入来计算该线性执行器的希望位置以及与该驱动器系统通信以驱动该线性执行器至这些希望的位置的计算机，其中这些数据点包括一天中的时间、一年中的时间、日期、地理定位系统坐标、板上时钟、基础的取向、缸位置、连接构件的角度、阀位置和太阳能跟踪传感器数据，且其中该计算机使用多项式样条曲线。而且，该系统还包括反馈控制系统，其将由传感器设备收集的信息转送给该前馈控制系统，其中该前馈控制系统和该反馈控制系统以集成的方式运作。
附图说明
在附图中公开了本发明的实施例的优选特征，其中在若干个视图中类似的附图标记表示类似的元件，且其中
图1是根据本发明的实施例的前馈控制的太阳能跟踪器的前透视图；
图2是根据本发明的实施例的早晨位置的前馈控制的太阳能跟踪器的前/侧透视图；
图2A是示出根据本发明的实施例的前馈控制的太阳能跟踪器的关节连接器(joint connector)的细节图；
图2B是示出根据本发明的实施例的前馈控制的太阳能跟踪器的连接机构的细节图；
图3是根据本发明的实施例的下午三时左右的前馈控制的太阳能跟踪器的侧透视图；
图3A是示出根据本发明的实施例的前馈控制的太阳能跟踪器的关节连接器的细节图；
图3B是示出根据本发明的实施例的前馈控制的太阳能跟踪器的连接机构的细节图；
图4是根据本发明的实施例的前馈控制的太阳能跟踪器的前/侧透视图；
图5是根据本发明的实施例的前馈控制的太阳能跟踪器的侧平面视图；
图6A是根据本发明的实施例的、配置在直角三角形位置的、前馈控制的太阳能跟踪器的基部位置的图示；
图6B是根据本发明的实施例的、配置在等腰三角形位置的、前馈控制的太阳能跟踪器的基部位置的图示；
图6C是根据本发明的实施例的、配置在等边三角形位置的、前馈控制的太阳能跟踪器的基部位置的图示；
图7是根据本发明的实施例的、用于将柱连接到前馈控制的太阳能跟踪器的平台/子框架的连接机构的前/侧透视图；
图8是根据本发明的实施例的、用于将柱连接到前馈控制的太阳能跟踪器的平台/子框架的、带座轴承组件(pillow block bearing assembly)形式的连接机构的前/侧透视图；
图9A是根据本发明的实施例的、由抗扭转条(torsion resistance bar)稳定的前馈控制的太阳能跟踪器的执行器基部和柱基部的图示；
图9B是根据本发明的实施例的、由对角拉条(diagonal brace)和抗扭转条稳定的前馈控制的太阳能跟踪器的柱基部和执行器基部的侧平面视图；
图10是根据本发明的实施例的、具有连接到执行器基部的基座的、前馈控制的太阳能跟踪器的前/侧透视图；
图11是示出根据本发明的实施例的前馈控制的太阳能跟踪器的液压系统过程的流程图；
图12A是根据本发明的实施例的前馈控制的太阳能跟踪器的倒置的单动作执行器缸(single acting actuator cylinder)的前透视图；
图12B是根据本发明的实施例的前馈控制的太阳能跟踪器的倒置的单或双动作执行器缸的前透视图；
图13是根据本发明的实施例的、具有两个柱的前馈控制的太阳能跟踪器的前/侧透视图；
图14是根据本发明的实施例的、具有两个柱的前馈控制的太阳能跟踪器的前透视图；
图15是根据本发明的实施例的、具有两个柱的前馈控制的太阳能跟踪器的侧平面视图；
图16是根据本发明的实施例的、具有第三个执行器的前馈控制的太阳能跟踪器的侧透视图；
图16A是进一步示出根据本发明的实施例的、具有第三个执行器的前馈控制的太阳能跟踪器的机械性质的细节图；
图17是根据本发明的实施例的前馈控制的太阳能跟踪器的侧平面视图；
图18是根据本发明的实施例的前馈控制的太阳能跟踪器的前透视图；
图19是根据本发明的实施例的前馈控制的太阳能跟踪器的前/侧透视图，该太阳能跟踪器利用固定力矩杆(constant moment lever)通过链轮(sprocketgear)和齿条传动(rack gear)来动作；
图20是根据本发明的实施例的前馈控制的太阳能跟踪器的侧透视图，该太阳能跟踪器利用固定力矩杆通过链轮和齿条传动来动作；
图20A是根据本发明的实施例的前馈控制的太阳能跟踪器的链轮的细节图，该太阳能跟踪器利用固定力矩杆来动作；
图21是根据本发明的实施例的前馈控制的太阳能跟踪器的前平面视图，该太阳能跟踪器利用固定力矩杆通过链轮和齿条传动来动作；
图22是根据本发明的实施例的前馈控制的太阳能跟踪器的前/侧透视图，该太阳能跟踪器利用第三个地面安装的执行器来拉动链或线缆，以便为执行器的位置提供固定力矩；
图22A是根据本发明的实施例的前馈控制的太阳能跟踪器的前平面视图，该太阳能跟踪器利用第三个地面安装的执行器来拉动链或线缆，以便为执行器的位置提供固定力矩；
图22B是根据本发明的实施例的前馈控制的太阳能跟踪器的侧平面视图，该太阳能跟踪器利用第三个地面安装的执行器来拉动链或线缆，以便为执行器的位置提供固定力矩。
具体实施方式
现在将结合附图在以下更为全面地描述本发明，其中示出了本发明的优选实施例。然而，本发明可以体现为许多种不同的形式，且不应被理解为限于本文中给出的所说明的实施例。
在以下的描述中，在附图中类似的附图标记表示类似或相应的部分。此外，在以下的描述中，应懂得诸如“第一”、“第二”等术语是为了方便的措辞，且不应被理解为是限制性的。
本发明的实施例针对一种用于将太阳能发生系统(和部件，诸如镜或光伏电池“PV”等)进行瞄准的平台，使得该平台的子框架被定位成优化对来自太阳的能量的捕获，以转换成电力或其他有用的能量形式。为了强度、可靠性、效率和可维护性，优化了本发明的实施例。本发明的实施例也非常适合风很大的情形，且在强风下也能连续跟踪太阳。
如图1-5和17-18中所示，在本发明的实施例中，太阳能跟踪装置2包括基础系统(foundation system)1，该基础系统1包括I形梁十字构件4和将该I形梁十字构件4固定到安装表面8的可调节的基础安装件6(诸如螺钉、金属基础等)，太阳能跟踪装置2固定到该安装表面8。本领域技术人员将容易懂得，在本发明的实施例中，该基础安装件6是可调节的或是不可调节的。此外，本领域技术人员将容易懂得，可以利用不同的I形梁基础系统，包括，但不限于T截面的系统。连接到I形梁十字构件4的是两个线性执行器10、12和柱14。在本发明的一个实施例中，线性执行器10、12优选地由东-西执行器10和北-南执行器12构成。线性执行器10、12的底端优选地经由销连接15、关节连接等连接到该I形梁十字构件4。这些销连接15允许线性执行器10、12实现两自由度运动，减轻了执行器中的应变(strain)，且它们确保了执行器的正确的和自由的运动。本领域技术人员将懂得，如在本发明中的实施例的描述中使用的，两自由度运动是指能引起两个独立形式的运动(诸如两个正交轴运动或两个正交线运动，或一轴和一线)的操作。此外，本领域普通技术人员将容易懂得，该销连接可以是通过使用连杆(link)和两个销形成的连接，使得该连杆允许两自由度运动。在如图1-5所示的本发明的优选实施例中，柱14的底端刚性地锚接到该I形梁十字构件4。这在本发明的实施例中形成了两销系统。然而，在本发明的实施例中，可以优先选择三销系统，其中该柱14经由销连接(在图中未示出)连接到该I形梁十字构件4。在本发明的优选实施例中，线性执行器10、12的顶端以及柱14的顶端连接到子框架16，该子框架支持跟踪太阳的平台18。在本发明的优选实施例中，该平台支持太阳能阵列或由太阳能阵列构成。线性执行器10、12经由关节连接20而连接到该子框架16，该关节连接允许执行器10、12实现两自由度运动。事实上，线性执行器10、12的底部的销连接15和线性执行器10、12的顶部的关节连接器20均是两自由度的销连接(或类似的)，其允许减轻执行器中的应变，并确保正确的和自由的运动。该柱14优选地经由连接机构22连接到该子框架16，该连接机构22允许平台18以两自由度绕柱14旋转。在本发明的另一个实施例中，该柱14可以经由类似于执行器10、12和子框架16之间的关节连接20的关节(joint)连接到该子框架16。本领域普通技术人员将容易懂得，存在将柱14以及执行器10、12连接到该子框架的不同手段。以上所述的所有实施例形成了由子框架16与柱14和执行器10、12的顶部之间的连接构成的三销系统。在本发明的又一实施例中，在没有子框架16的情况下，执行器10、12和柱14经由带有销的关节或连杆机构(linkage)直接连接到平台18。
该太阳能跟踪器的至基础系统1的二或三销连接15以及至该子框架16的关节连接20和/或连接机构22提供了足够的强度来耐受较大的力，同时最小化或避免了将某些转矩传送到其基础系统1。与柱14和执行器10、12到基础系统1和子框架16的连接点相关的较低转矩也提供了在屋顶上安装该系统的能力。该系统的大多数实施例非常适合商用的屋顶桁架间隔，因为该太阳能跟踪器的基础系统1能够跨越两个或更多个桁架(其典型地相隔八至十英尺)。
在本发明的一个优选实施例中，该线性执行器10、12也用作结构构件。将执行器10、12用作结构构件建立了操作强度，同时也减少了生产成本。在本发明的一个优选实施例中，该线性执行器10、12是由液压泵驱动的液压缸。
从附图(更具体的是图6A-6C)中可以看出，线性执行器10、12以及柱14的底部和顶部分别到基础系统1和子框架16的连接优选地形成了三角形形状。在不同的实施例中，可以为不同的要求而调节由至基础系统1的连接和至子框架16的连接形成的三角形的尺寸。例如，标准的PV面板比镜像的或聚焦的系统(即集中器)具有更大的公差。与聚焦的系统(其需要更准确的瞄准)相比，可以以具有较小的三角形和较小的执行器的较小系统来控制标准面板。图6A描绘了直角三角形位置(“RA”型太阳能跟踪器)24；图6B描绘了等腰三角形位置(“ISO”型太阳能跟踪器)25，且图6C描绘了等边三角形位置(“EQ”型太阳能跟踪器)27。
如图1-5中所示，在本发明的实施例中，基础系统1由I形梁十字构件4和若干可去除的、可调节的基础安装件6(打桩工程、地脚螺钉、螺旋状地锚桩基等)构成。在本发明的另一个实施例中，在该三个分开的基部(柱14和两个执行器10、12)下方的基础被单个基础取代，该单个基础被设计成用来支持该三个安装位置。例如，可以使用大的混凝土板或之类的东西。在该实施例中，该基础系统1包括具有用于I形梁十字构件4等(或该三个分开的基部)的可调节安装件的混凝土板。该I形梁十字构件4被安装成使得其基部面向北-南和东-西且由可调节的基础安装件6设置成水平的。该执行器10、12和中心的柱14优选地安装到该I形梁十字构件4。该系统提供了快速的、强的和不昂贵的安装，同时在该系统运行二十至三十年后退役时也提供了不昂贵的和完全的清除。
从图10中可以看出，在本发明的优选实施例中，在执行器12之下加入基座44，这引起执行器10、12的下部关节或销连接15处于互不相同的水平面上。希望使该下部关节或销连接15在(执行器12为其一部分的)基部上更高，因为在太阳日的开始和结束时，对于东-西自由度的某些角度这提高了该太阳能跟踪装置的稳定性和强度。此外，执行器12下的基座44帮助减少了应变和干扰，并允许该太阳能跟踪器装置2有效地达到使平台18与太阳光线正交所需的角度。
如图9A和9B中所示，在本发明的一个优选实施例中，对角拉条38以超过基础1的某一高度连接到柱14和连接到执行器10、12(在液压实施例中为缸)的基础安装件。这些拉条提供了额外的强度和/或减少了柱14中需要的材料数量，且因而减少了柱14的成本。在其中没有使用I形梁十字构件4的实施例中，可以用拉条或抗扭转条40来连接该执行器10、12和柱14的基础安装件，使得它们的旋转受限。这些连接用作柱基部17上的长杆，同时将执行器10、12的基础安装件用作锚，以抵制移动。以这种方式使用执行器10、12的基础安装件是尤为有效的，因为执行器10、12的基部上的载荷将垂直于螺钉基础42(或类似的)的主轴，这给出了最大的抵制。
返回到图1-5中所示的优选实施例，柱14顶部的连接机构22或关节的取向是固定的，且能抵制绕其中心轴的旋转力。该柱14本身也被设计成抵制从该连接机构22传送来的这样的旋转力。这种抵制使太阳能跟踪装置2保持直立且被校准。
柱14顶部的连接机构22的安装以及每个执行器10、12的顶部的关节20处于某一角度，以优化该连接机构22或关节20在它们的机械极限内的使用。除由执行器10、12的自由旋转所提供的之外，可选地，执行器10、12的顶部的关节20可以具有某种旋转自由。
图7和8还更详细地描绘了柱14顶部的两自由度连接机构22。柱14顶部的该两自由度连接机构22被设计成足够强，以耐受非常大的转矩力。图7中描绘的优选实施例示出了连接机构22，其被设计成对可能由大风引起的最大转矩进行补偿。该连接机构22包括连接第一轴33和第二轴35的主体构件31。该第一轴33和第二轴35优选地包括轴承组件28，其被安装成彼此正交，以允许该连接机构22实现两自由度运动。该主体构件31的半径“r”将该转矩分成两个轴承/轴组件28中的每一个中的力，使得该转矩被每个轴承30抵制。
图7中描绘的柱连接机构22的优选实施例也提供了偏移(offset)32，该偏移由连接机构22的第一轴33和第二轴35之间的距离(中心到中心)构成。该偏移32用于确保即使在日落时(其时该子框架被定向为靠近地平线的点)该子框架16也具有超过柱14的间隙(clearance)。该偏移32也提供了接近线性执行器10、12的冲程末尾的子框架16的更大的角运动。当执行器12接近其缩回位置时，该偏移也为该执行器提供了杠杆作用(leverage)。
图8中描绘的连接机构23提供了比图7中所示的连接机构22的连接更为紧凑的连接，并且为接近地平线的角度提供了更少的奇点。本发明的另一个实施例中的连接机构23是带座轴承组件。图7中的连接机构22和图8中的连接机构23之间的根本区别在于，图8中的连接机构23不具有轴(该轴是柱14和子框架16的一部分)，而图7中的连接机构22具有轴33、35作为其连接的一部分，且与图8中的连接机构23相比，连接机构22具有轴之间的延长的偏移。图8中描绘的连接机构23包括钢板29或之类的东西来确保轴承组件28的恰当定向。图8中的连接机构23的缺点在于，其需要略微更长的执行器来实现图7中所示的柱连接22所实现的相同角度。图8中的连接机构23不是优选的，原因在于它不能为某些位置或一年中的某些天实现对准太阳所需的某些角度。连接机构22是优选的，因为它提供了达到极端角度以将子框架16/平台18调整到与太阳光线正交的位置的能力(尤其是在日出和日落期间)。
从图7和8中可以看出，连接机构22和23被设计成即使在大风负载下也能提供最小的应变位移。连接机构22优选地为轴承30和轴承/轴组件28提供最小的间隙要求，以最小化这些部件中的成本和应变。轴33和35之间的偏移距离32使该系统以非常类似于太阳系的方式移动，从而一个执行器优选地提供一天中的时间定位，而另一个执行器12优选地提供一年中的天定位。连接机构22的主体构件31的长度决定了在不结合的情况下能实现的角运动量。连接机构22的长度被优化，以便为执行器10、12在可能的最低载荷条件下提供需要的运动自由。该连接机构22可以由焊接的部件而非由一块金属形成。连接机构22的轴33、35通常是焊接在或固定到该扭曲的或制造的部件的独立部件。该连接机构22的主体构件31也可以由方料、扭曲的扁钢、铸件等制成。
本领域的普通技术人员将容易懂得，在其他实施例中，球节或其他类型的关节可用于取代关节20和/或销连接15。这是因为执行器10、12上的关节可以允许旋转。然而，柱14顶部的关节/连接机构22、23不能被球节代替，因为其必须将系统保持在原位，抵制旋转，且其优选地具有大于零的偏移距离32(或关节/连接机构长度)。然而，本发明的另一个实施例可允许偏移长度为零的连接机构。
图16和16A描绘了加入有第三执行器34的太阳能跟踪装置2。通过将该额外的执行器34加入该子框架16，使得平台18的一端上的安装件36被升起为相对于子框架16成一角度，从而对于一年中的任何给定的天，该额外的自由度扫过地平线(对于ISO型太阳能跟踪器)或向下扫到该地平线(对于RA型太阳能跟踪器)直至日出或日落的准确位置。将固定的或致动的升高加入子框架16来优化该太阳能跟踪装置2，以用于早晨或下午较晚时/夜间的瞄准。对于其中日出/日落时或接近日出/日落时的发电很关键的某些类型的太阳能面板和/或情况，这种增加的能力是希望的。
该太阳能跟踪装置2被设计成用于快速和成本效率的部署。该组装过程得到了系统设计的帮助，因为多个组装步骤可以同时进行：基础系统1、子框架16、结构部件组装(执行器10、12和柱14)以及基础系统1的定位和定向。这些同时的操作在最后总装中结束，其中用起重机(或类似的)来将部件安放到位，使得能将它们有效率地固定在一起。太阳能跟踪装置的电源是任何形式的稳定的、清洁的电能。在本发明的一个优选实施例中，系统中的任何电子部件均配有封闭体，用于保护这些部件不受天气等的影响。
太阳能跟踪装置2的若干不同实施例可用于不同用途。每个实施例为其特定功能提供了特定的特征。如图6A-6C中所示，这些实施例将三角形由标准的等腰三角形25(图6B)变为优选的直角三角形24(图6A)以及变为等边三角形27(图6C)。柱14的高度和执行器10、12、34的长度也发生变化，以改变性能特性。
前馈控制系统
本领域技术人员将容易懂得，存在可以在本发明的实施例中建立前馈控制系统的不同手段，这些手段包括，但不限于，具有一天中的时间、日期、GPS坐标和基础的取向等输入。在本发明的优选实施例中，计算机控制平台将使用这些输入来获得给定的天的几组太阳位置角度。本发明中的计算机控制平台优选地具有可编程逻辑控制器(PLC)所拥有的典型的输入和输出能力。此外，在本发明的优选实施例中，该前馈控制系统利用多项式样条曲线来驱动线性执行器10、12、34的位置。通过取得太阳在一天中的多个已知的角度位置且基于太阳的这些角度位置和本发明的特定实施例的机械配置之间的关系来将这些角度转换为线性执行器10、12和34的位置而形成这些样条曲线。这些线性执行器10、12和34的位置变成了用于形成样条曲线(其是“t”(从日出到日落的时间)的函数)的数据点。在某些实施例中，也使用额外的样条曲线来映射该连接机构22的轴33、35的角度，且这些角度位置和角速度的时间-函数比与执行器10、12和34的线性位置和线性速度相关。
中央计算机或位于每个太阳能跟踪器上的计算机能够用之前存储的数据在夜间计算这些样条曲线，以供第二天使用。在将中央计算机用于为一个应用区域中的所有太阳能跟踪器或为超过一个应用区域中的所有太阳能跟踪器计算样条曲线的情况下，每个太阳能跟踪器具有存储数据表的能力。该数据表包含样条曲线的系数，这些样条曲线指明了作为时间和Δt(时区内的GPS经度位置的时间偏移)的函数的执行器缸位置(或相关的角度)和相关的马达速度(或开-关周期和阀位置)。或者，每个太阳能跟踪器可以配有足够大的存储器容量，以存储多达几年的数据表。在一些实施例中，在数据表中提供了多个曲线组，且基于某些因素(诸如日期或由具有时间偏移的GPS坐标给定的纬度(位置)，或日期和位置两者)来选择正确的曲线组。
在本发明的另一个实施例中，通过将存储的数据用于相对于时间的输入，在不使用样条曲线的情况下，用数据表来控制该系统。本发明的另一实施例使用实时完成的全日照计算(full solar calculation)。该实施例使用前馈控制(该前馈控制基于执行器位置和/或连接机构22的角度位置以及实时地从仰角和方位角直接转换而来的变化速率)，而不使用样条曲线来指明执行器位置和速度。本发明的又一实施例既不使用前馈控制，也不使用样条曲线，而是使用一系列规则连同从标准的仰角和方位角转换而来的执行器位置来得出太阳的位置。
本发明的一个优选实施例利用样条曲线方法来建立该前馈模型。这是因为实时日照计算的运算和它们各自的导数要求大得多的计算能力，以及产生重大错误和过多奇点的可能性。复杂性的这种增加导致了硬件成本的增加和降低了控制系统的准确度与稳定性。
在一个优选实施例中，该样条曲线方法对执行器10、12、34在一天中的速度提供增量式的调节，且位置调整是连续的(或者是频繁的和小的以至该运动增量不可察觉或接近不可察觉)。
本发明的一个优选实施例中使用的样条曲线典型地是以下形式的多分段三次多项式：
f1(t)＝a1·t3+a2·t2+a3·t+a4 t＝0至ta
f2(t)＝b1·t3+b2·t2+b3·t+b4 t＝ta至tb
f3(t)＝c1·t3+c2·t2+c3·t+c4 t＝tb至tc
f4(t)＝d1·t3+d2·t2+d3·t+d4 t＝tc至tfinal
本领域技术人员熟知用于求解这样的方程式系统的方法。以上的例子是由16乘16组位置方程式构成的系统，其需要16个数据点来定义一个唯一解。位置要求(对于“t”的某些值)和连续性约束(f1、f2、f3和f4之间)的组合定义了这些数据点。使用更高次的多项式和相应的更大的方程式系统来使得线性执行器10、12和34的位置越发精确，以实现子框架16和/或平台18的希望的角度。使用指明柱连接机构22的轴的希望角度的样条曲线来产生前馈修改环。将柱连接机构22的实际角度与希望的角度进行比较，以计算测量的误差。将该误差乘以该反馈环中使用的增益，以修改该前馈控制系统。
该前馈控制系统的一个优选实施例包括使用时间微分来最小化或消除运动迟滞。通过在样条曲线计算中将时间前进小的增量(Δt)，可以几乎消除由太阳能跟踪装置的响应和电路的响应的物理特性引起的延时。在用于驱动该太阳能跟踪装置的每条样条曲线中使用“Δt”项，使得驱动和传感器反馈更为精确地匹配。不具有“Δt”项的实时形式被用于检查位置和测量误差。对“Δt”的这种使用有效地将控制误差减少了一个数量级。
在本发明的其他实施例中，该样条曲线可以是一个或更多个分段中的二次、三次或更高次的多项式。
然后，将该位置方程式的一阶导数用于确定执行器10、12和34的希望的时间变化率。如果将液压缸用于线性执行器10、12和34，则可以容易地通过计算机将该时间变化率转换成该前馈控制系统的流体流速要求和之后的泵-马达速度/电流要求。
该前馈控制系统为线性执行器10、12和34提供了非常准确和平滑的控制(诸如泵马达速度控制、对驱动器或阀振动的脉冲调制)。该控制策略最小化或消除了执行器10、12和34的过驱动，这减少了执行器10、12和34以及其他机械部件上的磨损和应变，且将电流的吸取和能量的使用最小化。
将一阶、二阶、三阶和四阶导数约束为在函数之间连续为太阳能跟踪装置2的机械部件提供了最平滑的操作和最低的磨损。在具有这些约束的情况下，该设备具有更大的可靠性。
在本发明的一个优选实施例中，需要关于执行器10、12和34的位置、连接机构22的角度或这两者的传感器反馈来修改和更新该前馈控制系统。这建立了反馈控制系统。本领域技术人员将容易懂得，前馈控制系统的手段包括但不限于，具有线性执行器的位置、连接机构22的轴33、35的角度位置以及太阳能跟踪传感器数据等输入。对风的抵制和摩擦力的变化将随环境条件和时间变化。通过将误差乘以小的增益来调节执行器10、12和34的速度，直到该实际位置与期望的位置一致为止，实现了对这些小的变化的补偿。为了将来的移动，也将该误差信息乘以更小的增益来调节到执行器10、12和34的功率，由此对于将来成为当前的环境和机械条件而使该前馈模型随时间越发准确。
通信能力帮助保证了最大的工作时间。在另一个实施例中，该控制系统配备有安全的互联网通信，以发送维护请求和/或对状态查询进行回应。
本发明的实施例优选地包括太阳能跟踪装置的以下几类配置之一：
1.对于PV面板、30°和50°的纬度之间的地面安装而优化的；
2.对于PV面板、0°和30°的纬度之间的地面安装而优化的；
3.对于PV面板、具有大于50°的极端纬度的地面安装而优化的；
4.对于PV面板、30°和50°的纬度之间的屋顶安装而优化的；
5.对于PV面板、0°和30°的纬度之间的屋顶安装而优化的；
6.对于PV面板、具有大于50°的极端纬度的屋顶安装而优化的；
7.对于集中的PV面板、30°和50°的纬度之间的地面安装而优化的；
8.对于集中的PV面板、0°和30°的纬度之间的地面安装而优化的；
9.对于集中的PV面板、具有大于50°的极端纬度的地面安装而优化的；
10.对于集中的PV面板、30°和50°的纬度之间的屋顶安装而优化的；
11.对于集中的PV面板、0°和30°的纬度之间的屋顶安装而优化的；以及
12.对于集中的PV面板、具有大于50°的极端纬度的屋顶安装而优化的。
应当注意，一些实施例在不同于0°、30°或50°的角度处优化。在本发明的另一实施例中，加入额外的优化级，以便为以上12类中的每一个提供最大的风力抵制。
在这些类别中的每一个类别中，调节三角形尺寸、平台18或太阳能阵列大小、执行器10、12和34的长度、和/或柱14的高度，以包容特定实施例的具体需要。标准的PV面板安装要求较低成本的系统，但具有更大的角度公差。聚焦的/集中的系统具有小的误差公差，但是根据每瓦成本，它们的成本低于标准的PV系统。
对于北美中的位置，该纬度要求，在正午时该PV面板被优选地升高，使其在地平线之上，且处于最小和最大角度之间(这对具体位置和一年中的天时间(day of the year)而言是特定的)。对ISO型跟踪器(基于等腰三角形)而言，某些纬度之间的所有位置需要特定的柱14的高度，而处于该特定范围之外的位置需要不同的柱14的高度。更靠近赤道的位置需要较高的柱14，且向北更为远离的位置需要较短的柱14。在ISO型太阳能跟踪器的所有情况中，相对于完全缩回的执行器10、12和34(缸)的高度，调节柱14的高度。
可以将额外的高度加入所有三个基部，以便为安装到子框架的太阳能面板阵列和框架获得离地间隙。在本发明的一个实施例中，可以将上升管(riser)加入到柱14和执行器10、12的下方，以提供额外的高度来获得离地间隙，可以将更大的平台18安装在太阳能跟踪器上。也可以将上升管加入到整个基础系统1下方(例如该I形梁十字构件4下方)，以将I形梁变为水平的或提升整个基础的高度。对地面倾斜的位置，进行水平化的该用途是优选的和特别有价值的。
在本发明的实施例中，用抗扭转条40将上升管对角地连接到I形梁十字构件4的部件的端部，这些部件没有从上升管的上方或下方通过。这些抗扭转条40为上升管提供了附加的稳定性和对于转矩的抵制。
也可以调节执行器10、12和34的性能，以满足该太阳能跟踪器的不同高度要求。在任何情况下，较大的系统需要较大的部件，包括较大的执行器10、12和34。
运行于北半球的北部区域或南半球的向南方深入的区域中的ISO系统(基于等腰三角形25)受益于一个具有相反取向的实施例，其中柱14高于缩回的执行器10、12。在这样的情况下，对于本发明的ISO型实施例，该取向将优选地将柱14定位为离开赤道。这是因为，当系统安装位置移动离开赤道时，在夏季和冬季日出将出现在离赤道向北或向南更远之处。
如上所述，在本发明的一个优选实施例中，线性执行器10、12和34是液压缸，因为液压系统以可靠性和强度而知名。部件是易于获得的，且能够从事液压相关工作的技术人员的供应也是充足的。在其他实施例中，可以用螺丝刀、气动装置或其他线性执行器等来取代液压缸。在这些替代性实施例中，优选地使用马达来驱动执行器。然而，本领域技术人员将容易懂得，存在可以用来驱动执行器的许多手段，包括但不限于使用具有阀的泵、具有齿轮的马达、以及具有传送带和滑轮的马达。
本发明的优选实施例中的控制系统是一种前馈系统，其基于对于一组给定的坐标的、相对于给定日期的给定时间的太阳位置的期望角度。该系统的输入可以包括(但不限于)一天中的时间、日期、GPS坐标、基础的取向、缸/角度位置反馈、以及太阳能跟踪传感器数据。该前馈输出控制马达速度和流体流速。在其中利用液压装置的某些优选实施例中，该系统也操纵阀位置以控制流体流向。一个可调节的阀或一个或多个二位阀(binary valve)用作释放阀，用于释放过量的流体(如果有的话)，使其流回液压储库。该控制系统引起马达驱动泵来产生导致要求的运动所需的准确流体量。仅在流体需求是如此小以至马达和泵不能准确地产生希望的流速率时才会产生过量的流体流。在马达被停运且泵运行于备用模式(诸如在预热周期中)时，有时也产生过量的流体流。
对于本发明的实施例，关于上述的系统中的输入，从射频(“RF”)信号、本地信号、GPS系统、板上时钟等处获取该一天中时间和日期。GPS坐标从板上GPS系统获取，或由/从外部的GPS输入且存储在闪存中。或者，该GPS坐标从本地服务器等处获取。基础的取向在设置时输入，且存储在闪存中，或经由传感器等输入。缸位置是实时获取的或经由传感器等输入。太阳能跟踪传感器数据是实时获取的或经由传感器等输入。
关于执行器10、12和34(缸)的位置或连接机构22的角度的期望的传感器读数也由前馈系统输出，且被测量以与它们位置的实际读数比较，以找出在控制系统的反馈部分中使用的控制误差。然后，将这些误差乘以相对小的增益来动态地修改泵速度(或马达速度)和阀位置，以实现太阳能跟踪器的希望的运动。在本发明的优选实施例中，该反馈系统补偿机械系统随时间的变化，包括但不限于那些处于摩擦中的以及环境条件的变化(包括但不限于温度变化)。
对于具有太阳能反馈优化的实施例，来自太阳传感器(其相对于平台18的位置来检测优选的太阳能输入的位置)的输入乘以相对小的、时间累积的增益来创建对处于前馈值的预定限制内的前馈定位的缓慢的和稳定的调整。然后，将该输出转换为对执行器10、12和34(缸)的位置的调整，并最终转换成泵和阀的信号。在该实施例中，用类似于单个二维电荷耦合器件(“2D CCD”)的、具有最少的光学器件和计算能力的传感器来找到亮度中心。然而，也可以使用具有类似能力的其他传感器。
记录在数学模型中的、执行器10、12和34(缸)位置的“时间变化率”(或一阶导数)与用于驱动液压泵的马达速度之间的已知关系是该控制系统的一个组成部分。该样条曲线方程式的一阶导数提供了驱动执行器10、12和34(缸)的杆的速度。对液压系统而言，知晓缸内径和杆直径允许该控制系统计算以该速度移动执行器10、12和34(缸)所需的流体流速。在具有所需流速的情况下，该控制系统能使用泵的立方英寸/旋转的额定值来计算所需的泵速度。然后，从该泵速度要求中得出用于控制该马达速度以驱动该泵的驱动器计算，以建立希望的流速。
因为系统的速度的原因，对马达大小的要求是最低的。小然而耐用的马达(大小类似于真空吸尘器马达)就是驱动该系统所需要的。此外，将马达的启动最少化帮助减少了马达上的磨损。额定和控制成用于连续使用的小型马达优于必须频繁启动和停运的较大马达。该前馈控制系统平衡了该驱动，从而开/关周期被最小化。最小化阀周期也是重要的，以保证最大的可靠性。由该前馈控制系统提供的该平衡提供了最小的阀周期。
在本发明的某些实施例中，将传感器安装到执行器10、12和34(缸)的本体或将其安装在这些缸的本体内，使得它们检测从一个关节的中心到另一关节的中心的总的缸长度的测量值。这些传感器提供关于每个执行器10、12和34(缸)的位置的反馈数据，该反馈数据用在上述的控制算法中。然而，本发明的一个优选实施例基于由编码器在每个角度上测量的连接机构角度来计算执行器位置，因为这比直接测量执行器位置更为准确和具有成本效益。
在该太阳能跟踪器的RA实施例或ISO实施例中，本发明的子框架16具有用于将万向节连接在每个执行器10、12的顶部的多个安装孔，使得可以进行调节来包容各种纬度和公差要求。使用相互距离较近的安装孔更容易实现极端的日出和日落角度，同时离柱14或其他执行器10、12更远的位置提供了更高的准确度。
在本发明的实施例中，通过使用具有较长冲程(相对于该三角形高度)的线性执行器10、12和使得柱14的高度等于执行器10的中冲程(mid-stroke)长度，实现了完全的360°旋转。
传感器：在某些实施例中，该控制系统具有用于每个自由度的一种或多种类型的传感器。这些传感器包括但不限于编码器、线性传感器、水平传感器以及视觉传感器。可以用编码器直接测量连接机构的轴33、35的角度。可以用诸如磁致伸缩的、激光的、超声的(如那些由MTS制造的)传感器等线性位置测量传感器来测量线性执行器10、12和34的长度。用陀螺仪、水银开关或其他设备来测量平台18何时是水平的。在某些实施例中，可以将机器视觉系统和/或光电池(或类似的)包括到该控制系统中作为其一部分。该视觉系统用于测量太阳能跟踪器位置和太阳的实际位置之间的角度误差。该测量的误差用于修改或校准该控制系统和减少误差。
在本发明的一个实施例中，用于测量仰角和方位角的传感器可以代替或辅助线性执行器上的传感器。这些角度测量设备将帮助确保该系统运行于聚焦的、集中的或镜像的收集器的更为紧密的公差内。此外，在本发明的一个实施例中，可以将来自能量系统的集成数据加入到以上提及的其他数据输入中，并使得业主和维护提供商能通过本发明的可选的互联网连接得到该集成数据。在本发明的某些实施例中，可以加入太阳能传感器反馈，以验证跟踪是正确的。这包括通过测量系统的功率输出来直接感测相对于与平台18的面正交的线的太阳位置。
在替代性实施例中，可以实时地提供太阳角度，并将其直接转换成线性执行器的位置，且通过采用不同的计算提取了导数。这些转换和计算被用作对上述的样条曲线的替代。
白天的校准：在使用光电池或类似检测器的实施例中，传感器位于中空管的底部，该中空管被安装成使得该管的主轴正交地瞄准平台18的平面。选择该管的大小和长度，以确保当传感器能和不能检测太阳时确认希望的准确度。或者，可以用来自该跟踪器上的一个或多个太阳能面板的所测电能输出来感测太阳处于平台18和太阳能面板的接受角之内。在使用电输出的情况下，功率的斜坡上升和斜坡下降提供了关于相对于控制系统的当前校准的太阳位置的额外信息。如果在超过给定数量的时间内该感测策略未检测到太阳，则控制程序将平台18从其初始位置以同心圆方式向外移动(与平台18正交的中心轴扫出圆形的搜索图案，且每次循环增加该圆的半径)，直到其检测到太阳或达到距其之后成为当前的校准的预设最大角度偏移为止。如果达到该最大的可允许偏移，则太阳能跟踪器返回到初始的轨迹，并继续跟踪设定的一段时间。如果该传感器再次检测到太阳，则跟踪像往常一样继续。如果不是这样，则再次发起该搜索序列。如果在搜索中发现了太阳，则为与连接机构22的每个轴33、35关联的角度设定校准偏移。如果在完成设定数目的搜索序列之前未确定太阳的位置，则跟踪器发出请求维护以进行重新校准的消息。为发现太阳的中心，该跟踪器继续其之后为圆形的路径，直到其达到检测到太阳的、沿该路径的最远点为止。测量了检测到太阳的该时间和该拱形路径的长度，且使用该几何信息基于太阳外观的已知的预期几何形状计算太阳的中心，以得到该给定的天和GPS坐标。
本发明的一个实施例使用以类似方式运行但是更快的机器视觉传感器，因为其同心圆在软件上而非在太阳能跟踪装置上执行。在本发明的替代性实施例中，用测量太阳能面板系统的电输出的传感器代替检测太阳的光学传感器或类似的传感器。
在本发明的一个优选实施例中，记录了首次检测到和最后检测到太阳的位置和时间，并将其用在计算之中来找到太阳的中心，这些计算利用了该太阳能跟踪器的运动的已知圆形图案、太阳在天空中的已知运动、以及太阳的已知表观大小(apparent size)和几何性质。
夜晚的校准：每晚该太阳能跟踪器到达其平台18为水平的位置，且该系统依据水平传感器(陀螺仪或类似的)来检查其位置。如果在某个公差内确认了该水平位置，则完成了该序列。如果系统在公差之外，则进行与白天的搜索类似的搜索序列，以找到该水平位置，且如上所述地设置偏移角度，或者如应用于方位角和仰角那样的，仅以更大的最大搜索区域输入到该样条曲线的产生之中。
通信：在一个优选实施例中，该系统配备了光纤、无线、和/或有线局域以太网的组合，以便与具有互联网连接的本地服务器通信。取决于太阳领域(solar field)内的跟踪器数目，若干本地服务器用作一组太阳能跟踪器的数据采集与监控系统(“SCADA系统”)。该SCADA系统每天使用互联网连接来将其本地时钟与远方的原子时钟进行同步。然后，该SCADA系统每晚或在通电时将其实时时钟与太阳能跟踪器的实时时钟进行同步。此外，该SCADA系统转发该夜晚的样条曲线需要的任何附加信息，其中可以获得诸如时间、太阳能跟踪器的位置坐标、以及太阳的角度位置或样条曲线系数之类的输入。该SCADA系统也用作数据集中器以及执行诸如监视警报、收集数据之类的功能。也可以从该连接发送消息和报告(例如维护请求)。
在上述的任何校准方法中，可以将修正用作控制系统中的输出，以改善性能，或是将其作为前馈控制系统的输入，使得该计划的轨迹输出包含该校准修正。
风力减缓：在一个优选实施例中，设计该太阳能跟踪装置2，使得其执行器10、12和34移动来遵从大风的风力，以避免任何系统部件的损坏或弯曲。在具有液压执行器10、12和34的系统中，这是通过使用安装在每个缸上的平衡阀实现的。这些平衡阀被设置成用于减少超过正常风条件所需的压力的液压。在该条件下得到缓和的流体在该缸和储库箱体的两侧之间流动。这些平衡阀的该缓和功能与风力成比例。仅在需要时该阀才开放，这导致了最小的缸位移。在阵风消退后，该驱动系统将该缸返回，以在某个公差内恢复其位置。恢复时间将随位移量而变化，但是总能在几分钟内实现恢复。该特征保护了该系统在强风中不被损坏，且允许在比采用其他太阳能跟踪器的情形中大得多的风速下获取太阳能。
在本发明的一个实施例中，该液压储库在该柱中。该主柱的内部的一部分用于盛放该液压流体。
本领域普通技术人员将容易懂得，可以将缓冲器或之类的东西用在本发明的实施例中，作为防止该太阳能跟踪装置被驱动到越过其机械极限的手段。这样，在本发明的一个实施例中，提供了缓冲器(bumper)，以防止该太阳能跟踪装置被驱动到越过其机械极限。这些缓冲器使得在风暴中太阳能跟踪装置免于损坏或沿不希望的方向移动。在大风期间发生电源故障的情况下，该风力减缓系统和缓冲器将该系统朝风力载荷将最小的水平位置移动。如果在电源故障期间不存在大风，则系统保持其位置直到电源恢复。
平衡：优选地围绕连接机构22来平衡太阳能跟踪装置2，使得离地间隙被最大化，且风载荷被疏导，以促进将平台18移向水平位置。这些条件也帮助最小化了大多数情况下执行器10、12和34的载荷。这种情况下的平衡是通过几何性质而非质量实现的。
流体：在利用液压缸的实施例中，由于低操作压力和工作周期的缘故，该系统优选地非常适合使用生物可降解油。这些环境友好的流体也降低了清理和维护的成本。
软管故障：如上所述，在本发明的实施例中，将平衡阀直接安装到缸。在软管故障的情况下，平衡阀将这些缸保持在原位，直到液压功率能被恢复为止。如果液压流体供应掉到不可能实现缸移动的点，则控制系统将感测这种情形且自动关闭。在任何情况下将最小化溢出的流体量。系统中的所有配件和密封以及软管均以最新技术和最优质量制造，以保证维护要求最少和泄露或溢出的可能性最低。
在太阳能跟踪器装置的实施例中，作为对从一个泵对应多个缸的阀控制的替代，为每个缸使用了独立的泵和马达(或双向的泵和马达)。
本发明的另一个实施例利用了多层操作，其中第二、第三或第四基本系统安装在其他系统之上，使得操作是累积性的。这种堆叠式的方法提供了更大的操作自由度，并减少了关节的机械极限的影响。
在本发明的一个实施例中，子框架沿单个轴或多个轴的辅助的动作提供了选定的轴上的更大自由度和准确度。例如，本发明的一些实施例在地平线(方位角轴)上具有最少的关节或不具有关节(articulation)。这些配置受益于能够对于日出/日落在地平线上的位置而北-南旋转。
而且，本发明的一个实施例可以将基部的辅助的动作用作增加灵活性和准确度的另一种方式。在这样的情况下，执行器和柱的基础安装件中的每一个被连接到单个旋转的基部。
本发明的一个实施例可以利用诸如支杆(strut)之类的阻尼，该支杆被加入以消除振动和进一步减少磨损。
此外，可以将本发明的实施例用于其他目的，诸如瞄准碟形卫星天线、驱动机构(诸如推进器或喷气式发动机)或作为武器的安装/瞄准系统。
本发明的一个实施例不使用前馈控制。在该替代性配置中，将样条曲线位置用作标准的比例-积分-微分(“PID”)控制的输入。
在其他实施例中，可以加入额外的关节来旋转柱14顶上的连接机构22、旋转整个柱14、或旋转整个装置2。这样做的主要原因是增加系统在早晨和/或下午较晚时的准确度。对某些要安装到本发明的实施例上的转换设备而言，如果加入了额外的关节，则对于日出和日落两者，发电机会均增加了一到两个小时。
在本发明的其他实施例中，可以将太阳能跟踪装置安装在不同于水平的取向上。例如，可以将该系统安装在建筑物的一侧、安装在山坡上等。总体上，这些位置提供了较少的与太阳的接触，但是当存在与太阳的接触时，它们将受益于跟踪太阳方面的更高的效率。
在本发明的另一个实施例中，变动了柱的高度。用线性执行器等来上下移动该柱的顶部，同时，通过该执行器或该执行器外部的框架防止了关节绕该柱的轴的旋转。该实施例为平台提供了更大的运动范围，且每个驱动器的冲程长度较小。
本领域普通技术人员将容易懂得，本发明的实施例不限于仅仅两个执行器。在本发明的一个实施例中，可以以与执行器10、12类似的方式将第三执行器直接连接到子框架16，使得它处于柱14的相对侧，且与东-西执行器对称。该第三执行器可以用于与东-西执行器的目的相同的目的，从而增加了强度和稳定性。
如图12A和12B中所示，在本发明的一个实施例中，该系统使用一个或多个倒置的缸76。这些缸配置仅提供拉力，且具有将碎屑以重力拉离杆密封78的优点。
而且，如图13-15中所示，在本发明的一个实施例中，用第二柱80(第四条腿)来建立更大的稳定性和对转矩的抵制。在该版本中，第二柱80与连接机构22的下部旋转轴对齐，且下部关节82的轴被延伸，以跨越柱14和80之间的距离。该连接机构22进一步地由连接支持件81支持。
如图19-21中所示，本发明的另一实施例提供了固定力矩杆46，以通过链轮48和齿条传动50来动作。该配置也允许多个跟踪器共享单个执行器52来进行东-西动作。该单个执行器52在每个太阳能跟踪器56处以连接到杆54的齿条传动50推和拉杆54。该齿条传动50与每个跟踪器56上的链轮48的分段进行接口。柱顶的连杆58被直接连接到链轮48，使得在杆54被推和拉时，连杆58向西和东(或沿设置时希望的取向)旋转。杆54在地平面或接近地平面处运行，以便为太阳能跟踪器的运动提供间隙。该链轮48的分段具有从柱顶连杆58的下部轴的旋转轴60的中心向下至杆54上的齿条传动50的半径R1。在某些实施例中，柱64可以被分开，使得杆54和链轮48在柱64的两部分之间运行，或者该杆54和链轮48可以邻近柱64运行。根据需要，可以连续移动或周期地移动每个太阳能跟踪器的第二执行器66，以满足性能要求。在其他实施例中，该第二执行器66被固定长度的构件或手动调节其长度的构件代替。建造该实施例的成本将会少很多，且该实施例相比其他太阳能跟踪器提供了更好的性能。
在又一个实施例中，该东-西执行器被水平地定位，且移动齿条，该齿条转动作为该柱的连杆的一个组成部分的直齿轮。该直齿轮的中心是该连杆的底部的轴。该连杆的顶部的轴附着到该直齿轮，这连接了该齿轮的外圆周上的两点，使得该轴具有到该齿轮的足够长的连接，以保证强度和稳定性，并且足够远离另一轴来提供足够的角度自由度，以保证该跟踪器能捕获太阳的所有位置。这些轴优选地是相互正交的。该子框架上的该顶部的轴和该第二执行器的两个端部将形成稳定三角形。该水平执行器将由其固定的端部处的短柱支持，且其将得到杆的端部处的中心柱的支持。该短柱、主柱和第二执行器的基部将形成地上的稳定三角形。该主柱可以或者由两柱系统构成，或者由单个柱构成，该单个柱具有通过其中心的、用于该致动的齿条和该执行器的支持件的通道。
如图22、22A和22B中所示，在另一个实施例中，用第三地面安装的执行器68来与直角链轮(“RAS”)型跟踪器的东-西执行器74相反地拉链轮或不打滑的滑轮72上的链或线缆70。该实施例为驱动东-西角度位置的执行器74的所有位置提供了固定力矩，并提供了地平线处或接近地平线处的更大的稳定系数。该链或线缆70可以在该链轮或不打滑的滑轮72的顶部上方或底部下方运行。
尽管本文中已经详细描述了本发明的优选实施例和对其的修改，应当懂得，本发明不限于本文中描述的实施例和修改，且其他修改和变化可以由本领域普通技术人员实现，而不背离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。例如，本发明可以包括四个或更多个执行器、三个或更多个柱、具有角度的柱、以及其他特征。
附图中包括的附图标记清单：
以下是用在本发明的实施例的附图中的所有附图标记的清单。
(1)基础系统       (31)主体构件
(2)太阳能跟踪装置 (32)偏移
(4)I形梁十字构架  (33)第一轴
(6)基础安装件     (34)第三执行器
(8)安装表面       (35)第二轴
(10)执行器        (36)安装件
(12)执行器        (38)拉条
(14)柱            (40)抗扭转条
(15)关节/销连接   (42)基础
(16)子框架        (44)基座
(17)柱的基部      (46)固定力矩杆
(18)平台          (48)链轮
(20)关节连接      (50)齿条传动
(22)连接机构      (52)东-西执行器
(23)连接机构      (54)杆
(24)直角三角形    (56)太阳能跟踪器
(25)等腰三角形    (58)柱顶的连杆
(26)中心轴        (60)旋转轴
(27)等边三角形    (64)柱
(28)轴承组件      (66)第二(北-南)执行器
(29)钢板          (68)地面安装的执行器
(30)轴承         (70)链
(72)链轮         (84)拉杆
(74)东-西执行器  (86)链连接
(76)倒置的缸     (88)安装销
(78)杆密封       (90)扭力杆
(80)第二柱       (92)推杆
(81)连接支持件   (94)导销
(82)下部的关节   (96)基础板

Claims (21)

1.一种致动的前馈控制的太阳能跟踪器系统，包括：
子框架，用于支持至少一个太阳能面板；
至少一个柱，用于支持该子框架；
连接构件，其将该子框架连接到该柱，其中该连接构件包括第一轴、第二轴和设置在该第一轴和第二轴之间的主体构件，
其中该第一轴和该第二轴设置成基本上相互正交，并被分开约等于该主体部件的长度的距离；
至少两个线性执行器，每个执行器具有第一端部和第二端部；
旋转关节，用于将该线性执行器的第二端部连接到该子框架；
驱动器系统，用于驱动该线性执行器；
前馈控制系统，其包括计算机，该计算机使用多个数据点作为输入来计算该线性执行器的希望的位置，并与该驱动器系统通信，以将该线性执行器驱动到该希望的位置；以及
反馈控制系统，其将由传感器设备收集的信息转送给该前馈控制系统，其中该前馈控制系统和该反馈控制系统以集成方式运作。
2.如权利要求1所述的系统，还包括旋转关节，用于将该线性执行器的该第一端部连接到基础系统。
3.如权利要求1所述的系统，还包括具有第一端部和第二端部的至少一个基座，该第一端部连接到基础系统，且该第二端部连接到具有旋转关节的线性执行器。
4.如权利要求1所述的系统，其中该第一轴、该第二轴和该主体构件是一体的构件或分开的构件。
5.如权利要求1所述的系统，其中该第一轴和该第二轴的端部设置在附着到该柱的顶部和该子框架的底部的轴承部件中。
6.如权利要求1所述的系统，还包括基础系统，该基础系统包括多个梁和多个固定构件。
7.如权利要求5所述的系统，还包括具有第一端部和第二端部的支撑构件，其中该第一端部连接到梁，且该第二端部连接到该柱。
8.如权利要求1所述的系统，其中该旋转关节和该连接构件包括两自由度的旋转运动。
9.如权利要求1所述的系统，其中该驱动器系统包括液压系统。
10.如权利要求8所述的系统，其中该液压系统的储库设置在该柱中。
11.如权利要求9所述的系统，其中该线性执行器是液压缸，该驱动器系统是连接到液压泵的电动机，且该前馈控制系统与该系统中的该电动机和一系列阀通信，以将该子框架移动到希望的位置。
12.如权利要求1所述的系统，还包括具有第一端部和第二端部的抗扭转条，其中该第一端部连接到该线性执行器的基部，且该第二端部连接到该柱的基部。
13.如权利要求1所述的系统，还包括用于防止该子框架被驱动到越过其机械极限的装置。
14.如权利要求1所述的系统，其中该数据点是预定的。
15.如权利要求1所述的系统，其中该数据点是实时计算的。
16.如权利要求1所述的系统，其中该数据点包括一天中的时间、日期、地理定位系统坐标、基础的取向、缸位置、该连接构件的角度、阀位置和太阳能跟踪传感器数据。
17.如权利要求1所述的系统，其中该计算机使用多项式样条曲线。
18.如权利要求16所述的系统，其中该多项式样条曲线包括时间微分特性。
19.如权利要求16所述的系统，其中该样条曲线包括二次、三次或更高次多项式。
20.一种致动的前馈控制的太阳能跟踪器系统，包括：
子框架，用于支持至少一个太阳能面板；
至少一个柱，用于支持该子框架；
连接构件，其将该子框架连接到该柱，其中该连接构件包括第一轴、第二轴和设置在该第一轴和第二轴之间的主体构件，
其中该第一轴和该第二轴设置成基本上相互正交，并被分开约等于该主体部件的长度的距离；
其中该第一轴、该第二轴和该主体构件是一体的构件；
至少两个线性执行器，每个执行器具有第一端部和第二端部；
旋转关节，用于将该线性执行器的第二端部连接到该子框架；
驱动器系统，包括用于驱动该线性执行器的液压系统；
至少一个基座，其具有第一端部和第二端部，该第一端部连接到基础系统，且该第二端部连接到具有旋转关节的线性执行器；
前馈控制系统，其包括计算机，该计算机使用多个数据点作为输入来计算该线性执行器的希望的位置，并与该驱动器系统通信，以将该线性执行器驱动到该希望的位置；
其中该数据点包括一天中的时间、日期、地理定位系统坐标、基础的取向、缸位置、该连接构件的角度、阀位置和太阳能跟踪传感器数据，
其中该计算机使用多项式样条曲线；以及
反馈控制系统，其将由传感器设备收集的信息转送给该前馈控制系统，其中该前馈控制系统和该反馈控制系统以集成方式运作。
21.一种致动的前馈控制的太阳能跟踪器系统，包括：
子框架，用于支持至少一个太阳能面板；
至少一个柱，用于支持该子框架；
连接构件，其将该子框架连接到该柱，其中该连接构件包括第一轴、第二轴和设置在该第一轴和第二轴之间的主体构件，
其中该第一轴和该第二轴设置成基本上相互正交，并被分开约等于该主体部件的长度的距离；
其中其中该第一轴、该第二轴和该主体构件是一体的构件；
其中该第一轴和该第二轴的端部设置在附着到该柱的顶部和该子框架的底部的轴承部件中；
至少两个线性执行器，每个执行器具有第一端部和第二端部，并用作结构构件；
旋转关节，用于将该线性执行器的第二端部连接到该子框架；
驱动器系统，包括用于驱动该线性执行器的液压系统；
至少一个基座，其具有第一端部和第二端部，该第一端部连接到基础系统的梁，且该第二端部连接到具有旋转关节的线性执行器；
用于防止该子框架被驱动到越过其机械极限的装置；
前馈控制系统，其包括计算机，该计算机使用多个数据点作为输入来计算该线性执行器的希望的位置，并与该驱动器系统通信，以将该线性执行器驱动到该希望的位置；
其中该数据点包括一天中的时间、一年中的时间、日期、地理定位系统坐标、板上时钟、基础的取向、缸位置、连接构件的角度、阀位置和太阳能跟踪传感器数据，
其中该计算机使用具有时间微分特性的多项式样条曲线；以及
反馈控制系统，其将由传感器设备收集的信息转送给该前馈控制系统，其中该前馈控制系统和该反馈控制系统以集成方式运作。
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